(57)【要約】  高温超伝導フィラメント及びケーブル、並びにそれらの製造方法に関する。超伝導層を成長させるために使用する基板は除去し、剥離した超伝導層は、保護層で被覆した後に細条帯に切断する。この細条帯は、導電性金属でカプセル化し、高温超伝導フィラメントを提供する。フィラメントは束ねられて、高温超伝導ケーブルを提供する。
2019509612.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基板上に配置された超伝導層を含む第２世代ワイヤから高温超伝導フィラメントを製造する方法であって、
ａ）前記超伝導層を前記金属基板から分離して、剥離した超伝導帯を提供する工程と、
ｂ）前記剥離した超伝導帯を細条帯に切断する工程と、
ｃ）前記細条帯をカプセル化して、前記高温超伝導フィラメントを提供する工程と、
を備えることを特徴とする、高温超伝導フィラメントの製造方法。
【請求項２】
前記切断する工程に先立って、前記剥離した超伝導帯を保護層で被覆する工程を備えることを特徴とする、請求項１に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
【請求項３】
前記カプセル化する工程は、前記細条帯を電気導電性材料でカプセル化する工程を含むことを特徴とする、請求項２に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
【請求項４】
前記カプセル化する工程は、金属安定化剤ではんだ付けする工程を含むことを特徴とする、請求項３に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
【請求項５】
前記カプセル化する工程は、導電性金属で電気めっきする工程を含むことを特徴とする、請求項３に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
【請求項６】
前記導電性金属は銅であることを特徴とする、請求項５に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
【請求項７】
前記切断する工程に先立って、前記剥離した超伝導帯を長さ方向に沿って積層し、多層の伝導体を含む多層帯を提供する工程を備えることを特徴とする、請求項３に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
【請求項８】
前記積層した超伝導帯の隣接する層間に金属安定化層を配置する工程を備えることを特徴とする請求項７に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
【請求項９】
複数のフィラメントを結合して、延在かつ連続したフィラメントを提供する工程を備えることを特徴とする、請求項３に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
【請求項１０】
前記連続したフィラメントは、長さが１００ｍ超であり、幅が１ｍｍ〜２ｍｍの範囲であることを特徴とする、請求項９に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
【請求項１１】
前記分離する工程は、誘導コイルで前記基板を急速加熱する工程を含むことを特徴とする、請求項３に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
【請求項１２】
前記分離する工程は、前記第２世代ワイヤを変形させる工程を含むことを特徴とする、請求項３に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
【請求項１３】
前記分離する工程は、前記第２世代ワイヤに対してエネルギーイオンを照射する工程を含むことを特徴とする、請求項３に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
【請求項１４】
前記切断する工程は、前記剥離した超伝導帯をレーザで前記細条帯に分断する工程を含むことを特徴とする、請求項３に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
【請求項１５】
前記保護層は銀であり、前記保護層はマグネトロンスパッタリングで蒸着することを特徴とする、請求項３に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
【請求項１６】
複数の前記フィラメントを束縛し、超伝導ケーブルを提供する工程を備えることを特徴とする、請求項３に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
【請求項１７】
前記超伝導ケーブルを導電性金属帯で包装する工程を備えることを特徴とする、請求項１６に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
【請求項１８】
前記フィラメントを捩り、磁化特性損失を低減する工程を備えることを特徴とする、請求項１７に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
【請求項１９】
前記フィラメントを転置し、電気特性損失を低減する工程を備えることを特徴とする請求項１７に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
【請求項２０】
各面を実質的に被覆する保護被覆層を有する超伝導層と、
前記超伝導層に固着した少なくとも１つの金属安定化層と、を備え、
前記超伝導層及び前記金属安定化層は、バッファ層の非存在下かつ超伝導基板層の非存在下において電気導電性材料でカプセル化され、前記超伝導層の両面が前記電気導電性材料と実質的に等しい電気導電性を有することを特徴とする、高温超伝導フィラメント。
【請求項２１】
前記超伝導層及び前記金属安定化層は、強磁性材料又は強磁性層の非存在下でカプセル化されていることを特徴とする、請求項２０に記載の高温超伝導フィラメント。
【請求項２２】
前記電気導電性材料は、前記超伝導層及び前記金属安定化層の外面にはんだ付けされた金属安定化剤であることを特徴とする、請求項２１に記載の高温超伝導フィラメント。
【請求項２３】
前記電気導電性材料は、前記超伝導層及び前記金属安定化層の外面に電気めっきされた導電性金属であることを特徴とする、請求項２１に記載の高温超伝導フィラメント。
【請求項２４】
前記超伝導層の少なくとも１つの表面に形成された保護銀層を備えることを特徴とする、請求項２１に記載の高温超伝導フィラメント。
【請求項２５】
多層の超伝導層を備えることを特徴とする、請求項２１に記載の高温超伝導フィラメント。
【請求項２６】
隣接する超伝導層間に配置された金属安定化層を備えることを特徴とする、請求項２５に記載の高温超伝導フィラメント。
【請求項２７】
前記超伝導層及び前記金属安定化層は、１００ｍ超の長さを有し、１ｍｍ〜２ｍｍの幅を有することを特徴とする、請求項２１に記載の高温超伝導フィラメント。
【請求項２８】
前記超伝導層は、ＹＢＣＯ又はＢｉ系高温超伝導材料から形成されていることを特徴とする、請求項２１に記載の高温超伝導フィラメント。
【請求項２９】
前記超伝導層は、臨界電流密度を増大させるために配向した結晶面を含むことを特徴とする、請求項２８に記載の高温超伝導フィラメント。
【請求項３０】
複数の高温超伝導フィラメントを備え、各フィラメントは、
各面を実質的に被覆する保護被覆層を有する超伝導層と、
前記超伝導層に固着した少なくとも１つの金属安定化層と、を有し、
前記超伝導層及び前記金属安定化層は、バッファ層の非存在下かつ超伝導基板層の非存在下において電気導電性材料でカプセル化され、前記超伝導層の両面が前記電気導電性材料と実質的に等しい電気導電性を有し、
前記複数の高温フィラメントは捩れていることを特徴とする、高温超伝導ケーブル。
【請求項３１】
前記超伝導層及び前記金属安定化層は、強磁性材料又は強磁性層の非存在下でカプセル化されていることを特徴とする、請求項３０に記載の高温超伝導ケーブル。
【請求項３２】
前記電気導電性材料は、前記超伝導層及び前記金属安定化層の外面にはんだ付けされた金属安定化剤であることを特徴とする、請求項３１に記載の高温超伝導ケーブル。
【請求項３３】
前記電気導電性材料は、前記超伝導層及び前記金属安定化層の外面に電気めっきされた導電性金属であることを特徴とする、請求項３１に記載の高温超伝導ケーブル。
【請求項３４】
多層の超伝導層を備えることを特徴とする、請求項３１に記載の高温超伝導ケーブル。
【請求項３５】
隣接する超伝導層間に配置された金属安定化層を備えることを特徴とする、請求項３４に記載の高温超伝導ケーブル。
【請求項３６】
前記捩れたフィラメントを包装する保護金属帯を備えることを特徴とする、請求項３１に記載の高温超伝導ケーブル。
【請求項３７】
前記超伝導層は、１００ｍ超の長さを有し、１ｍｍ〜２ｍｍの幅を有することを特徴とする、請求項３１に記載の高温超伝導ケーブル。
【請求項３８】
前記フィラメントは、電気特性損失を低減するために転置されていることを特徴とする、請求項３１に記載の高温超伝導ケーブル。
【請求項３９】
前記超伝導層は、ＹＢＣＯ又はＢｉ系高温超伝導材料から形成されていることを特徴とする、請求項３１に記載の高温超伝導ケーブル。
【請求項４０】
前記超伝導層は、臨界電流密度を増大させるために配向した結晶面を含むことを特徴とする、請求項３１に記載の高温超伝導ケーブル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温超伝導イットリウム−バリウム−銅−酸素フィラメント及びケーブルに関し、並びに超伝導層をエピタキシャル基板から剥離することを通じて、当該フィラメント及びケーブルを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
第２世代（２Ｇ）のＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７（ＹＢＣＯ）ワイヤが１９９５年に製造されて以来、当該技術は、目覚ましい進歩を遂げてきた。第２世代（２Ｇ）の超伝導技術は、故障電流制限器、変圧器、風力タービンなどの機器の出現によって、さらに発達を遂げてきた。第２世代（２Ｇ）の超伝導ワイヤは、高い上部臨界磁場及び臨界温度を記録し、安価な一段式の冷凍機で冷却できる高温超伝導磁石の設計を可能ならしめている。中心となる２Ｇワイヤは、５０〜１００μｍの厚い金属基板上に堆積した薄い（２μｍ未満の）ＹＢＣＯ層から構成される。図１は、市販のＲＡＢｉＴＳ系の２Ｇワイヤ（ＡＭＳＣ社より、アンペリウムワイヤとして販売されている）の構成を示すものであり、ここでは帯１００として示している。帯１００は、約１００μｍの厚さの金属基板１０３を含む。基板１０３は、種々の酸化物層が積層された構成、例えば、酸化イットリウム、酸化イットリウム−ジルコニア、酸化セリウムなどの酸化物層が連続して積層されてなる酸化物バッファ層１０２で被覆されている。酸化物バッファ層１０２は、典型的には反応性スパッタリング、電子ビーム蒸着などの真空蒸着法で堆積される。超伝導層１０１としてのイットリウム−バリウム−銅酸化物の超伝導体Ｙ−ＲｅＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ（ＹＢＣＯ）は、酸化物バッファ層１０２上に成長されている。この市販の製品において、“Ｒｅ”は、Ｄｙ，Ｇｄ，Ｎｄなどの希土類金属であり、“Ｘ”は酸素指数であって、Ｘ＜１である。保護銀層１０４がマグネトロンスパッタリングで超伝導層１０１の上面に堆積されている。最後に、帯１００は、相対向する上面及び下面において金属箔がはんだめっきされ、それぞれ安定化層１０５及び１０７を形成している。安定化層１０５及び１０７は、帯より１〜２ｍｍほど幅広に形成されており、相対向するはんだリボン１０６を形成して、２つの安定化層を結合するようにしている。
【０００３】
図１に示すように、市販の２Ｇワイヤは、幅が４〜１２ｍｍのオーダーであり、厚さが１００〜１５０μｍのオーダーであって高アスペクト比の状態で流通されるが、超伝導層１０１の厚さは１〜２μｍのオーダーである。公知かつ市販のワイヤの構造は、多くの問題を有しており、特に磁石として用いた場合に数多くの問題が生じる。
ｉ）高アスペクト比（≒１：１０００）は、磁化特性（ＡＣ）の損失につながり、当該損失は、１０’ｓ（Ｊ／ｍ）の程度に大きくなる。これは、ワイヤの商業的な利用を７７Ｋの温度に制限してしまう。
ｉｉ）超伝導層１０１の上面は、帯１００の外部に対する良好な電流通路として機能するものであるため、超伝導層１０１は十分に安定化されていない。一方、超伝導層１０１の下面は絶縁性の酸化物バッファ層１０２と接触している。結果として、基板に近接した安定化層、すなわち安定化層１０７は、上部の安定化層１０５に比較して流れる電流は少ない。このような導電性に関する構造的非対称性は、冷却中に、電流による不均一な加熱を生ぜしめ、超伝導層の剥離を生ぜしめて、動作不良の原因となる。
ｉｉｉ）帯１００は、高異方性の機械特性を示す。市販の２Ｇワイヤは、その長さ方向には高い強度を示し、その引張強度は５００〜６００ＭＰａ程度となる。一方、ｃ軸方向の引張（横方向）強度は、１０分の１程度と低く、その割さき強度は無視できるレベル（＜１ＭＰａ）である。このため、超伝導層１０１と酸化物バッファ層１０２との接着性は、少なくとも一部において低くなり、中程度の応力（＜１０ＭＰａ）の存在下でも、超伝導層が酸化物バッファ層から予期せず分離してしまい、磁石不良の原因として認識される。
ｉｖ）図１に示すような２Ｇの帯は、パンケーキ型の巻回物とすることができる。しかしながら、このような巻回物からソレノイド型の磁石を組み立てる場合、個々の巻回物をダイアゴナルスプライス（ｄｉａｇｏｎａｌ  ｓｐｌｉｃｅ）によって接合する際に多大な労力を必要とする。
ｖ）２Ｇの構造的特徴では、多重の撚り線からなるケーブルを単純に結合して形成することができない。ＹＢＣＯ層１０１と安定化層１０５との間の界面は、典型的には５０ｎΩ／ｃｍ２未満の抵抗を有する。しかしながら、ＹＢＣＯ層１０１と下側の安定化層１０７との抵抗は、１００μΩ／ｃｍ２程度である。したがって、多重の撚り線からなるケーブルを製造するには、上側の安定化層同士を接触させるような入念な接合方法が要求される。
【０００４】
２Ｇワイヤ磁石の現在のデザインは、平坦なパンケーキ状の積層体である。図２は、単純な形態のソレノイド２００の典型的デザインを示す。積層体の各パンケーキは、軸Ｔの周囲に帯１００のような２Ｇ帯を巻回して形成されている。帯１００は、図２においてみたときに、安定化層１０５及び１０７が、積層体の内周面及び外周面に位置するように配列している。例えば、外周面２０６は、帯１００の長さ方向の、安定化層１０５又は１０７で画定されている。個々のパンケーキはその後結合（ダイアゴナルスプライス（ｄｉａｇｏｎａｌ  ｓｐｌｉｃｅ））して電気伝導性を付与し、ソレノイドを形成する。ソレノイド２００によって形成される磁場は、２つの成分からなる。１つは、パンケーキ積層体の高さｈに沿った成分２０１であり、もう一つは、パンケーキ積層体の高さｈに垂直な成分２０２である。このデザインにおいては、外側に位置するパンケーキ２０３及び２０５は、内部に位置する、例えばパンケーキ２０４よりも大きな磁場を感じることになる。したがって、非常に高いＡＣ損失を生じることになる。この損失エネルギーは、巻回体中において、熱として発散される。ほとんどの材料の比熱及び熱伝導係数は低温（フォノンの凍結に起因して）では非常に小さいので、僅かな熱量が重要な温度上昇を引き起こすことになる。磁石の低速でのランピング（数時間）は、パンケーキ２０３及び２０５の温度を超伝導の臨界温度以上にしてしまい、磁石の不良を引き起こしてしまう。したがって、磁石のランピングレートは、外側のパンケーキの過加熱の点から制限される。活用の観点からは、ランピングロスは、ランピングレートが安全に増大するように最小化することが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、高温超伝導フィラメントの分野においては、分割したパンケーキ及びダイアゴナルスプライス（ｄｉａｇｏｎａｌ  ｓｐｌｉｃｅ）を必要とすることなく、機械的特性に優れた、超伝導層の剥離の危険を抑制、除去してなる超伝導磁石の製造に使用可能な高温超伝導フィラメントが必要である。また、磁化特性の損失を抑制した送電特性を有する高温超伝導ケーブルが必要である。さらに、磁化特性の損失を抑制した超伝導材料を用いた故障電流制限器が必要である。また、均一な電気特性を呈するとともに、優れた機械的特性を呈し、さらには直ちに結合することが可能な、超伝導層の剥離の危険を抑制、除去してなる高温超伝導フィラメント及びケーブルの製造方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、当該技術分野における上記必要性に対処するものであり、２Ｇワイヤから高温超伝導フィラメントを製造する方法に関するものである。２Ｇワイヤは、金属基板上に配設された超伝導層を含む。この方法は、金属基板から超伝導層を分離し、剥離した超伝導帯を提供する。次いで、超伝導帯は分断されて細条化される。細条帯はカプセル化され、高温超伝導フィラメントが提供される。一実施形態において、剥離した帯は、帯を細条帯に分断する以前に保護層で被覆することができる。他の実施形態において、細条帯は、例えば、ｉ）金属安定化剤のはんだ付け、あるいはｉｉ）導電性金属（例えば、銅）を電気めっきすることによって、カプセル化することができる。その他の実施形態では、剥離した超伝導帯を細条帯に分断する以前に長さ方向に沿って積層し、多層の導電帯を含む多層帯とすることができる。好ましい態様において、個々のフィラメントを結合して長さ方向に延在した連続したフィラメントとすることができる。他の形態において、超伝導フィラメントの長さは１００ｍ超とすることができ、その幅は１〜２ｍｍとすることができる。その他の形態において、超伝導層の剥離は、基板を誘導コイルを用いて急速加熱することによって行うことができる。さらにその他の実施形態において、超伝導層の剥離は、帯を変形させて行うことができる。その他の実施形態において、超伝導層の剥離は、エネルギーイオンで帯を照射することによって行うことができる。
【０００７】
また、本発明は、２Ｇワイヤから高温超伝導ケーブルを製造する方法に関する。２Ｇワイヤは、金属基板上に配設した超伝導層を含む。本方法は、金属基板から超伝導層を分離し、剥離した超伝導帯を提供する。この方法は、金属基板から超伝導層を分離し、剥離した超伝導帯を提供する。次いで、超伝導帯は分断されて細条化される。細条帯はカプセル化され、高温超伝導フィラメントが提供される。好ましい態様において、剥離した帯は、帯を細条帯に分断する以前に保護層で被覆することができる。他の好ましい態様において、細条帯は、例えば、ｉ）金属安定化剤のはんだ付け、あるいはｉｉ）導電性金属（例えば、銅）を電気めっきすることによって、カプセル化することができる。その他の実施形態では、剥離した超伝導帯を細条帯に分断する以前に長さ方向に沿って積層し、多層の導電帯を含む多層帯とすることができる。金属安定化層を積層した超伝導帯間に配設することができる。その後、高温超伝導フィラメントを束ねることにより、超伝導ケーブルとする。好ましい態様において、個々のフィラメントを結合して長さ方向に延在した連続したフィラメントとすることができる。他の好ましい態様において、超伝導ケーブルは、導電性金属帯で包装して、フィラメントを保護するとともに、付加的な冷却安定性を付与する。実施形態において、超伝導ケーブルの長さは１００ｍ超とすることができ、その幅は１〜２ｍｍとすることができる。その他の実施形態において、フィラメントを捩ってケーブルの磁化特性損失を低減することもできる。さらなる実施形態において、フィラメントの数は１〜１００とすることができる。実施形態において、超伝導層の剥離は、基板を誘導コイルを用いて急速加熱することによって行うことができる。その他の実施形態において、超伝導層の剥離は、帯を変形させて行うことができる。さらなる実施形態において、超伝導層の剥離は、エネルギーイオンで帯を照射することによって行うことができる。実施形態において、フィラメントを転置して、ケーブルの電気特性損失を低減することができる。
【０００８】
また、本発明は、高温超伝導フィラメントに関する。フィラメントは、その各表面を実質的に被覆してなる保護層を有する超伝導層を含む。また、フィラメントは、自身に固着した、少なくとも１つの金属安定化層を含む。フィラメントは、電気導電性の材料でカプセル化することができる。フィラメントは、バッファ層が存在せず、かつ超伝導基板が存在せずに、超伝導層の両面が、それを囲む電気導電性材料と実質的に等しい電気導電性を有するような状態でカプセル化することができる。好ましい態様において、フィラメントは、強磁性材料あるいは強磁性層の非存在下でカプセル化することができる。他の好ましい態様において、電気導電性材料は、フィラメントの外面にはんだ付けした金属安定化剤とすることができる。その他の好ましい態様において、電気導電性材料は、フィラメントの外面に電気めっきした導電性金属とすることができる。他の実施形態において、フィラメントは、多層の超伝導体を含む。その他の実施形態において、フィラメントは多層の超伝導体を含み、隣接する超伝導体間に金属安定化層を有する。実施形態において、超伝導フィラメントは、１００ｍ超の長さを有し、１〜２ｍｍの幅を有する。
【０００９】
また、本発明は、高温超伝導ケーブルに関する。ケーブルは、複数の捩りフィラメントを含む。各フィラメントは、表面を実質的に被覆してなる保護層を有する超伝導層を含む。また、フィラメントは、自身に固着した、少なくとも１つの金属安定化層を含む。フィラメントは、電気導電性の材料でカプセル化することができる。フィラメントは、バッファ層が存在せず、かつ超伝導基板が存在せずに、超伝導層の両面が、それを囲む電気導電性材料と実質的に等しい電気導電性を有するような状態でカプセル化することができる。好ましい態様において、フィラメントは、強磁性材料あるいは強磁性層の不存在下でカプセル化することができる。他の好ましい態様において、電気導電性材料は、フィラメントの外面にはんだ付けした金属安定化剤とすることができる。その他の好ましい態様において、電気導電性材料は、フィラメントの外面に電気めっきした導電性金属とすることができる。他の実施形態において、フィラメントは、多層の超伝導体を含む。その他の実施形態において、フィラメントは多層の超伝導体を含み、隣接する超伝導体間に金属安定化層を有する。好ましい態様において、ケーブルは、自身を包装する保護金属帯を含む。実施形態において、超伝導フィラメントは、１００ｍ超の長さを有し、１〜２ｍｍの幅を有する。他の実施形態において、フィラメントは捩れてケーブルの磁化特性損失を抑制することができる。その他の実施形態において、フィラメントの数は１〜１００である。さらに、その他の実施形態において、フィラメントを転置し、ケーブルの電気特性損失を抑制することができる。
【００１０】
本発明の付加的な特徴、利点及び実施形態は、次に示す詳細な記載、図面及び特許請求の範囲を考慮して明らかになる。また、前述した本発明の開示及び次に示す詳細な記載は例示であり、説明を意図したものであって、特許請求の範囲に記載された本発明の開示の範疇を何ら制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】市販の２Ｇワイヤにおけるエピタキシャル層の説明図である。
【図２】積層したパンケーキコイルからなる典型的な超伝導ソレノイドの断面図である。
【図３】下部安定化層が存在しない状態での２Ｇワイヤの説明図である。
【図４】剥離工程中の図３に示す２Ｇワイヤの図である。
【図５】基板の剥離後であって、保護銀層を蒸着した後の、図４に示すワイヤの図である。
【図６】安定化層でカプセル化した後の、図５に示すワイヤの図である。
【図７】本発明の捩れフィラメントからなるケーブルを示す図である。
【図８】図５に示すワイヤと中間安定化層とからなる２層帯の図である。
【図９Ａ】７７Ｋにおける幅１．５ｍｍの１層のワイヤ片（単一フィラメント）と、幅１．５ｍｍの２層のワイヤ片（２層フィラメント）との臨界電流値を示すグラフである。
【図９Ｂ】７７Ｋにおける幅１ｍｍ及び２ｍｍのワイヤ片の臨界電流密度を示すグラフである。
【図９Ｃ】７７Ｋにおける幅１ｍｍ、２ｍｍ及び２．５ｍｍのワイヤ片の臨界電流値をワイヤ幅の関数として示すグラフである。ここで、破線は、オリジナルワイヤの臨界電流値を示す。
【図１０】３ｍｍ幅のフィラメントと、切断及び結合した後の、３ｍｍ幅のフィラメントとの電流−電圧曲線である。破線は、２００ｎΩ／ｃｍ２の抵抗における電流−電圧曲線である。
【図１１】１ｍｍ幅のワイヤ片における４．２Ｋの、５．３Ｔまでの磁場中でのＩ−Ｖ曲線を示すグラフである。
【図１２】１ｍｍ幅のワイヤ片における４．２Ｋの、当該ワイヤの主面に垂直な磁場の関数として臨界電流密度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図３は、第２世代（２Ｇ）の帯、すなわち帯３００を示す。帯３００は、１００〜１０００ｍの長さかつ１〜１００ｍｍの幅のオーダーを有する。帯３００は、金属基板３０３、バッファ層３０２、超伝導層３０１、銀保護層３０４及び安定化金属層３０５を有する。安定化層３０５は、銅、ステンレス、真鍮、あるいはその他の導電性金属から構成することができる。好ましい態様において、帯は外力を受けて、超伝導層３０１及びバッファ層３０２間の応力レベルを増大させる。この外力は、例えば、誘導コイルや赤外線照射などの外部源による急速加熱によって作用させることができる。また、この外力は、曲げ操作などの機械的変形によって作用させることもできる。応力レベルは、基板３０３とバッファ層３０２とが、超伝導層３０１から分離する際に、当該超伝導層にダメージを与えないようなものとする。図４は、基板３０３及びバッファ層３０２を、帯の残部から分離する剥離工程を示す。剥離の後、露出したＹＢＣＯ表面は、図５に示すように、好ましくは保護層、例えば銀層５０１で被覆する。保護層を形成した後、帯は、例えばレーザ切断で細条帯に切断し、その後、例えば銅などの導電性金属をめっきすることにより、カプセル化する。図６は、安定化銅層６０１を有する図５に示す細条帯をカプセル化してなるフィラメント６００を示すものである。次いで、高温超伝導フィラメントは、束ねられて超伝導ケーブルが形成される。
【００１３】
基板３０３は、バッファ層３０２及び超伝導層３０１に継承される配向を有する。この配向は、結晶面を含む超伝導層３０１の微細構造に反映される。配向した超伝導層３０１は、多結晶（非配向）の超伝導体よりも高い臨界電流密度を示す。配向した基板はフレキシブル金属膜であってもよいし、上述したその他の層の１つであってもよい。
【００１４】
基板は種々の方法で製造することができる。一例として、基板は、いわゆるローリングアシスト二軸配向基板（ＲＡＢｉＴＳ）工程によって製造することができる。ＲＡＢｉＴＳ被覆導電性基板は、酸化物バッファ層で被覆された配向Ｎｉあるいはその他のＮｉ合金金属帯からなる。
【００１５】
他の実施形態において、基板は、イオンビームアシスト蒸着（ＩＢＡＤ）として知られる工程によって製造することができる。ＩＢＡＤ被覆導電体は、非配向性の金属膜基板、酸化物バッファ層、超伝導層及び金属安定化層からなる。
【００１６】
同様の帯を構成するために他の方法あるいは材料を用いることができ、これらは本発明に従って用いることができる。
【００１７】
ＹＢＣＯあるいはＢｉ系ＨＴＳ材料からなる超伝導層は、公知の工程で蒸着することができる。一例において、超伝導層は、パルスレーザ蒸着法によって蒸着することができる。他の例では、超伝導層は、金属有機化学気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ法）によって蒸着することができる。その他の例では、超伝導層は、金属有機蒸着法（ＭＯＤ法）によって蒸着することができる。超伝導層は、任意の厚さとすることができるが、典型的には１０μｍ未満である。
【００１８】
保護金属層５０１は、超伝導層を保護し、過加熱あるいは超伝導が自然消滅して、超伝導体が局所的な抵抗体として作用するようになった際に、電流の経路を提供する目的で、超伝導層上に蒸着するものである。抵抗状態となった際の超伝導層は、３００μΩ・ｃｍの比抵抗を有する。電流が、当該超伝導層の抵抗部分を流れると、熱放散が導電体部分を壊滅的に破壊してしまう。銅や銀の比抵抗は２μΩ・ｃｍ程度であるので、電流は超伝導体の抵抗部分から離れた位置で安全に迂回させることができる。保護金属層は、任意の金属合金から構成することができ、一例においては、マグネトロンスパッタリングで蒸着した銀層から構成することができる。
【００１９】
安定化層は、保護金属層上に堆積することができる。一例において、安定化層は、低温はんだによって被覆された銀にはんだ付けされた銅箔とすることができる。銅箔の厚さは、好ましくは２５μｍ超とすることができる。一例において、安定化層は、めっきで形成することができる。図６は、安定化層６０１でカプセル化されたＹＢＣＯ帯を示す。ここで、安定化層６０１は、めっきで形成したものである。
【００２０】
超伝導層は、任意の適当な超伝導体から形成することができる。一例として、希土類−アルカリ土類金属−遷移金属の酸化物超伝導体から構成することができる。
【００２１】
一例として、本発明のカプセル化したフィラメントは、銅などの導電性金属の帯で束ねて複合化したケーブルを形成することができる。ケーブルの一例として、図７にケーブル７００を示す。ケーブル７００は、捩れたフィラメントを束７０１とし、保護金属帯７０２で包装することによって形成する。
【００２２】
一例において、安定化銅層は、細条帯上に電気めっき工程によって堆積する。当該金属層は、細条帯を塩基性あるいは酸性の銅溶液が満たされためっき浴に浸漬させることによって形成する。好ましい態様において、堆積した銅層の厚さは１０μｍ超である。
【００２３】
本発明のフィラメント／ケーブルは、臨界電流特性が向上するので、当該フィラメント／ケーブルは、ＡＣ損失の低減が望まれている高電流密度の機器に対して特に好ましい。当該フィラメント／ケーブルは、高速ランピング超伝導磁石、発電機、変圧器において使用することができる。
【００２４】
実施形態において、本発明は、超伝導磁石を提供する。磁石は、予め選択された形態に巻回された延在かつ連続したフィラメントを含む。延在かつ連続したフィラメントは、分割したパンケーキを形成する必要がなく、またそのようなパンケーキを電気的に結合する必要がないので、当業者によって高く評価されるものである。フィラメントの狭小な幅に起因して、磁石の磁化特性損失は相対的に低くなるので、磁石の磁化及び非磁化中において、例えば液体ヘリウムのような冷媒の損失を抑制することができる。
【００２５】
他の実施形態において、本発明は、電送ケーブルを提供する。電送ケーブルは、束状になった複数のフィラメントを含む。フィラメントは、好ましくは強磁性材料を含まない。超伝導層は、好ましくは高抵抗金属で安定化される。フィラメントが強磁性材料を含まないことによって、電力の輸送中に強磁性層の磁化に起因した磁化特性損失を抑制することができ、電力輸送を効率的かつ低コストで行うことができるので、当業者によって高く評価されるものである。
【００２６】
その他の実施形態において、本発明は、電力系統に対する故障電流制限器を提供する。故障電流制限器は、超伝導層が、好ましくは高抵抗金属で安定化されたフィラメントを含む。フィラメントは好ましくは切断及び捩られて磁化を減少させ、かつそれに関連する磁化特性損失を低減する。フィラメントは、強磁性材料を全く含まないことが好ましく、これによって、動作中のＡＣ電流によって生じるデバイスの磁化に起因した磁化特性損失を除去することができる。
【００２７】
以上、図面を参照して本発明を詳細に説明したが、詳細な説明に記載した実施形態、図面及び特許請求の範囲は、本発明を限定するものではない。ここで提供した課題の精神又は範疇を逸脱しない限りにおいて、他の実施形態も利用することができるし、変形も可能である。ここで開示し、図面に示した発明の態様は、種々の異なる広範囲の形態で変更し、置換し、結合し、設計することができ、その全ては本発明を構成するとともに、本発明の開示の一部を構成する。
【実施例】
【００２８】
（実施例１）
ＡＭＳＣ社によって提供された標準ワイヤ（８６０２−ＦＣＬ）を、剥離実験に対して使用した。当該ワイヤは、幅１２ｍｍ、厚さ７５μｍの３１６Ｌステンレス箔間にはんだ付けされた、幅１０ｍｍのＹＢＣＯ−ＲＡＢｉＴＳ帯である。ＹＢＣＯ層は、帯のサイドフィレットを機械的にトリミングした後に剥離した。ＹＢＣＯ層の剥離を容易にするために、帯は、当該帯に接続された誘導コイルによって急速加熱した。誘導コイルは、ゲージ１４リッツワイヤを８巻きし、長さ１６ｃｍ、幅１ｃｍのレーストラック型とした。コイルは、当該コイルによって発生するＡＣ場が、帯に確実に結合するように、当該帯の下に直接配設した。コイルは、２００Ｗ、５０ｋＨｚのＡＣ電力を供給して、１〜２秒間励磁した。ＹＢＣＯ層は、基板から直ちに剥離した。剥離した帯の長さは約１０ｃｍであった。この帯をＣＯ２レーザで１ｍｍ〜４ｍｍの帯片に切断した。レーザは、作動テーブルと２６０ＷのＣＯ２レーザとを含むカーンマイクロレーザシステム（Ｋｅｒｎ  Ｍｉｃｒｏ  Ｌａｓｅｒ  ｓｙｓｔｅｍ）である。切断は、窒素ガス雰囲気中で実施した。レーザは２０％の出力で動作させ、帯を１秒当たり１インチ切断できるようにした。剥離した２つの超伝導帯を、Ｉｎ９５％−Ａｇ５％のはんだ合金を用いて厚さ２５μｍの銅箔にはんだ付けし、種々の幅の２層試験片を準備した。図８は、２層ワイヤの構成を示す図である。２つの超伝導帯は、保護銀層５０１で被覆され、中間銅安定化層８０１を介して結合されている。Ｉｎ−Ａｇなどの低温はんだ合金が結合剤として使用されている。この付加的な銅安定化層は、超伝導層３０１が抵抗となり、電流を金属安定化層に分散させる必要が生じた際に、当該電流の経路を提供する。
【００２９】
（実施例２）
実施例１で得たワイヤ片の輸送臨界電流を、帯の幅の関数として７７Ｋで測定した。この測定のために、帯は、幅１０ｍｍ、厚さ５０μｍの銅の電流リード線に、低温インジウム系はんだ材を用いてはんだ付けした。また、低温はんだ材を用いて上記帯に厚さ２５μｍの銅の電圧リード線を取り付けた。ワイヤ片は、試験台に載置され、液体窒素浴に浸漬された。ＤＣ電流を徐々に増加させ、電圧を電流の関数（Ｉ−Ｖ曲線）として記録した。図９Ａは、１．５ｍｍ幅の１層ワイヤ片（単一フィラメント）と、１．５ｍｍ幅の２層ワイヤ片（２層フィラメント）との、７７Ｋにおける臨界電流を示す。この試験データは、２層ワイヤ片（２層フィラメント）の電流容量が、１層ワイヤ片（単一フィラメント）の電流容量の約２倍であることを示している。図９Ｂは、７７Ｋにおける１ｍｍ幅のワイヤ片と２ｍｍ幅のワイヤ片とのＩ−Ｖ曲線である。実線は累乗近似Ｖ〜Ｉｎであり、ｎは指数である。このデータは、剥離した帯は、オリジナルのｎ値（典型的には２０超）を保持していることを示している。ワイヤ片の臨界電流密度は、図９Ｃに示している。ここで、破線は、オリジナルワイヤの臨界電流密度を示す。このデータは、剥離した帯から形成したワイヤ片は、１ｍｍ幅まで臨界電流を保持することを示している。
【００３０】
（実施例３）
抵抗値に接合面積を掛けて定義される比抵抗は、導電体の重要なパラメータである。最も良好な比抵抗は、例えばＳｎＡｇ，ＩｎＳｎ，ＳｎＰｂなどの２元系合金、すずめっきしたＲＥ１２３、あるいはめっき工程中に、アルミニウムヒータブロックで結合面を押圧することで得ることができる。一般に、７７Ｋで測定される比抵抗は、３０ｎΩ／ｃｍ２超かつ５００ｎΩ／ｃｍ２未満である。剥離したＹＢＣＯ表面の表面抵抗を決定するために、インジウムを用いてフィラメントを互いにはんだ付けした、３ｍｍ幅のフィラメント片を準備した。フィラメントのＩ−Ｖ曲線は７７Ｋで記録した。図１０は、３ｍｍ幅のフィラメントと、フィラメント片を含む３ｍｍ幅のフィラメントとを比較して示すものである。３ｍｍ幅のフィラメントは測定に供され、得られた結果は図１０に示した。３ｍｍ幅のフィラメントは切断した後、結合して測定に供した。フィラメント片を含むフィラメントのＩ−Ｖ曲線の抵抗部分は線型の関数となっており、その勾配が面積抵抗を決定するために使用された。フィラメント片を含む５つのフィラメントについて測定した抵抗値を平均した結果、１９０±２０ｎΩ／ｃｍ２であった。
【００３１】
（実施例４）
図１１−１２は、４．２Ｋ（液体ヘリウム）で測定した結果を示すものである。１層のワイヤ片は、特別に作製したＧ１０ホルダー上に設置され、中心磁場８ＴのＮｂ−Ｔｉ磁石中に配置された。このワイヤ片は、ＧＥワニスでホルダー上に接着された。磁石は、クライオスタットを液体ヘリウムで充填した後、液体窒素浴中で冷却した。磁場は、ワイヤ片の主面に垂直（ＹＢＣＯ層のｃ軸に平行）に印加した。Ｉ−Ｖ曲線は、ＤＣ４ポイントモードで記録し、最大電流は３００Ａであった。図１１は、ワイヤ片の、４．２Ｋにおける５．３テスラまでのＩ−Ｖ曲線を示す。図１２は、ワイヤ片の臨界電流密度の、磁場の関数としての依存性を示す。オリジナルワイヤのゼロ磁場臨界電流密度は、水平な破線として示している。ワイヤ片は、４．３Ｋで３００ＡまでのＤＣ電流下で試験した。このデータは、ワイヤ片の臨界電流密度が、オリジナルの帯の１０％の範囲内であることを示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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